海洋特別保護(hù)區(qū)數(shù)字化監(jiān)測研究——以海州灣國家級特別保護(hù)區(qū)為例

李 妍，趙新生

（連云港市海灣生態(tài)與自然遺跡海洋特別保護(hù)區(qū)管理處，江蘇 連云港222001）

1 引言

海洋特別保護(hù)區(qū)是海洋生態(tài)保護(hù)的重要手段之一，也是海洋生態(tài)文明建設(shè)不可或缺的一環(huán)。海州灣國家級海灣生態(tài)系統(tǒng)與自然遺跡海洋特別保護(hù)區(qū)自2008年成立以來，一直致力于實(shí)現(xiàn)對保護(hù)區(qū)的有效管理，并取得了初步進(jìn)展。但較之以陸地保護(hù)區(qū)，海洋保護(hù)區(qū)遠(yuǎn)離陸地，缺乏監(jiān)管手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控有一定難度。在國家大力建設(shè)“數(shù)字海洋”的背景下，以實(shí)現(xiàn)對保護(hù)區(qū)海域監(jiān)測的動態(tài)化、可視化、智能化的立體監(jiān)測為目標(biāo)，開展保護(hù)區(qū)數(shù)字化監(jiān)測研究，對于合理開發(fā)利用海洋資源、保護(hù)海洋生態(tài)，減少保護(hù)區(qū)資源管護(hù)、巡護(hù)的人力、物力投入，推進(jìn)保護(hù)區(qū)信息化建設(shè)，促進(jìn)海洋生態(tài)文明建設(shè)，具有重要的實(shí)際意義。

2 保護(hù)區(qū)基本情況

海州灣海洋特別保護(hù)區(qū)以秦山島為中心劃定，南側(cè)和西側(cè)以現(xiàn)有海岸線為界，東側(cè)和北側(cè)界限依據(jù)連云港人工魚礁工程區(qū)的東界和北界劃定，總面積達(dá)490 137km2。保護(hù)區(qū)按功能劃分為4個區(qū)：生態(tài)保護(hù)區(qū)、資源恢復(fù)區(qū)、生態(tài)環(huán)境整治區(qū)各一塊，開發(fā)利用區(qū)兩塊。

保護(hù)區(qū)獲批之后，成立了海洋生態(tài)特別保護(hù)區(qū)管理處，掛靠連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心，為副處級事業(yè)單位，內(nèi)設(shè)生態(tài)保護(hù)科，總編制24人。出臺了《保護(hù)區(qū)管理暫行辦法》。開展實(shí)施保護(hù)區(qū)及功能區(qū)界標(biāo)識工程，對保護(hù)區(qū)四址及生態(tài)保護(hù)區(qū)界線等進(jìn)行標(biāo)識。建設(shè)保護(hù)區(qū)海上管理平臺，用于漁業(yè)增養(yǎng)殖、休閑垂釣、海上旅游、海上執(zhí)法管理和環(huán)境監(jiān)測預(yù)報等多種用途。開展海洋牧場等資源修復(fù)工作，自2012年已累計完成建設(shè)資金5 568萬元，投放人工魚礁179 784.73空m3，形成海洋牧場130km2，海州灣海域的海洋生物資源得到了較好恢復(fù)，取得了良好的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 存在問題

雖然保護(hù)區(qū)成立以來，做了許多工作取得了一定的成績，但也要看到其中存在的問題。

（1）在海洋行政管理中的參與度不夠，保護(hù)區(qū)管理處的職能未能完全發(fā)揮。2009年3月在連云港市政府高度重視下，成立連云港市海州灣海灣生態(tài)與自然遺跡海洋特別保護(hù)區(qū)管理處，是直屬連云港市海洋與漁業(yè)局副處級事業(yè)單位，是在原市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心基礎(chǔ)上增掛管理處牌子，一套班子，兩套牌子。科室布局及人才配備不能夠完成勝任保護(hù)區(qū)管理處的管理職能。如：沒有獨(dú)立的科研、環(huán)境監(jiān)測，以及執(zhí)法部門。

（2）保護(hù)區(qū)建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限。資金是保護(hù)區(qū)工作開展以及正常運(yùn)行的首要保證。現(xiàn)階段海州灣海洋特別保護(hù)區(qū)的資金來源主要是向國家或省級項(xiàng)目主管部門申請保護(hù)區(qū)內(nèi)的部分建設(shè)項(xiàng)目爭取資金。而大部分項(xiàng)目的建設(shè)還需要自籌資金。從實(shí)際情況來看，若要依靠項(xiàng)目建設(shè)資金來推動保護(hù)區(qū)長期高效的發(fā)展較為困難。海洋保護(hù)區(qū)與陸地上的保護(hù)區(qū)不同，對基礎(chǔ)設(shè)施、科研水平要求相對來說要高很多。資金投入不足將會直接影響到保護(hù)區(qū)日常工作的展開。

（3）沒有形成對保護(hù)區(qū)管轄范圍的常規(guī)監(jiān)測。目前，管理處的監(jiān)測重點(diǎn)仍然延續(xù)以往的重點(diǎn)用海項(xiàng)目的監(jiān)視監(jiān)測。而保護(hù)區(qū)的管理范圍大部分都在海上，常規(guī)的陸地監(jiān)測手段不能完全適應(yīng)海上監(jiān)測的需要。而使用人力巡航，一是人員數(shù)量不夠，二是經(jīng)費(fèi)不夠，難度很大。

4 保護(hù)區(qū)監(jiān)測方案研究

針對以上保護(hù)區(qū)管理面臨的難題，擬通過采取科學(xué)、合理、有效的措施，利用包括三維立體監(jiān)管體系在內(nèi)的多種技術(shù)手段對保護(hù)區(qū)實(shí)施動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測，為提升保護(hù)區(qū)管理提供可供借鑒的技術(shù)手段，做有益的嘗試和探索。

4.1 監(jiān)測手段

監(jiān)測手段的確定是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。對于本項(xiàng)目研究的保護(hù)區(qū)而言，可采用無人機(jī)航空、衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場綜合的監(jiān)測手段，無人機(jī)航空遙感具有高空間分辨率的優(yōu)勢，衛(wèi)星遙感雖然只具有中空間分辨率，但具備高時間分辨率重訪監(jiān)測的特點(diǎn)，現(xiàn)場監(jiān)測雖然費(fèi)時費(fèi)力，但具有監(jiān)測精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時可為上述遙感手段提供驗(yàn)證。對于海州灣海灣生態(tài)與自然遺跡海洋特別保護(hù)區(qū)而言，航空、衛(wèi)星和現(xiàn)場聯(lián)合的監(jiān)測技術(shù)手段，能夠提供大面積、實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時、高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心已經(jīng)具備無人機(jī)航空、衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場監(jiān)測綜合的技術(shù)能力。

4.2 監(jiān)測范圍

監(jiān)測范圍的確定是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測的首要環(huán)節(jié)。對于保護(hù)區(qū)遙感監(jiān)測范圍而言，其內(nèi)部以及周邊相鄰地區(qū)受到不同程度的人類活動影響，而且周邊相鄰地區(qū)對保護(hù)區(qū)內(nèi)部也有著不可分割的影響，因此在保護(hù)區(qū)的遙感監(jiān)測中，對周邊相鄰地區(qū)的遙感監(jiān)測也是必不可少的。而周邊地區(qū)的范圍如何確定，要根據(jù)保護(hù)區(qū)所處地域特點(diǎn)、受到人類活動影響程度、遙感監(jiān)測的工作量等來確定。

海州灣海洋特別保護(hù)區(qū)處于海岸帶區(qū)域，人類開發(fā)活動對其影響較大，因此在保護(hù)區(qū)的遙感監(jiān)測中，對周邊相鄰地區(qū)的遙感監(jiān)測也是必不可少的。海州灣監(jiān)測范圍如圖1所示：

4.3 數(shù)據(jù)源

能夠及時獲取適合監(jiān)測需求的遙感數(shù)據(jù)是遙感技術(shù)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，一旦實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用，對遙感影像數(shù)據(jù)的需求量將是很大的。

目前連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心擁有測繪型固定翼無人機(jī)和監(jiān)視型懸翼無人機(jī)（圖2、圖3），可獲取保護(hù)區(qū)重點(diǎn)目標(biāo)的0.02m高分辨率的遙感影像和現(xiàn)場視頻資料（圖4、圖5）。

4.4 監(jiān)測頻次

遙感監(jiān)測頻次的選擇是業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，頻次的選擇要綜合考慮發(fā)生的某些自然或人為事件對不同監(jiān)測要素的影響程度。針對監(jiān)測范圍的重點(diǎn)程度不同，保護(hù)區(qū)內(nèi)核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的管理保護(hù)以及受到人類活動影響的程度不同，因此，重點(diǎn)區(qū)域如核心區(qū)應(yīng)選擇具有高空間分辨率的無人機(jī)航空和現(xiàn)場監(jiān)測手段，大面的監(jiān)測采用高時間分辨率的衛(wèi)星遙感影像來進(jìn)行，如 HJ－1A/1B的時間分辨率為2d，滿足監(jiān)測需求。

國家海洋局發(fā)布了《海洋自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，要求在保護(hù)區(qū)建成后，對保護(hù)區(qū)要進(jìn)行每年兩次的常規(guī)現(xiàn)場監(jiān)測，可選擇5、10月份，每次監(jiān)測采樣時間應(yīng)與上一年相同。通過與實(shí)地的溝通了解，保護(hù)區(qū)所采取的人工巡護(hù)頻次因3個區(qū)的劃分而不同，由于核心區(qū)是保護(hù)區(qū)所屬的具有代表性自然地帶，由原生性自然生態(tài)系統(tǒng)組成，是保護(hù)區(qū)的核心，因此該區(qū)每天都要進(jìn)行人工巡護(hù)；而緩沖區(qū)是核心區(qū)外圍的半開發(fā)地區(qū)，某些程度上已受到人類活動的影響和破壞，但仍有可能恢復(fù)為原生性生態(tài)系統(tǒng)的地段，緩沖區(qū)可以開展試驗(yàn)性或生產(chǎn)性研究，其主要作用是緩和對核心區(qū)的破壞，因此該區(qū)的巡護(hù)頻次分為定期和不定期，定期的一般是一周一次，遇有突發(fā)臨時事件會加強(qiáng)巡護(hù)；實(shí)驗(yàn)區(qū)是緩沖區(qū)周圍地段，這一區(qū)域主要用于合理開發(fā)、利用自然資源的研究，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)及自然資源合理開發(fā)利用提供示范作用，該區(qū)的巡護(hù)頻次同緩沖區(qū)。遙感監(jiān)測在保護(hù)區(qū)的頻次要綜合考慮以上兩點(diǎn)，以及成本、工作量等方面的因素，從高分辨率和低分辨率兩種遙感數(shù)據(jù)源考慮，以高頻次的低分遙感數(shù)據(jù)作為低頻次的高分遙感數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，建議對于高分辨率遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源，在核心區(qū)以季度為單位進(jìn)行遙感監(jiān)測，緩沖區(qū)可以半年為單位，實(shí)驗(yàn)區(qū)和周邊地區(qū)以年為間隔來進(jìn)行遙感監(jiān)測；對于低分辨率遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源，遙感監(jiān)測頻次在核心區(qū)可兩個月一次，緩沖區(qū)為一個季度一次，實(shí)驗(yàn)區(qū)和周邊地區(qū)為半年一次，并且整個研究區(qū)的監(jiān)測頻次要根據(jù)突發(fā)的某些自然事件或人為干擾而進(jìn)行隨時的調(diào)整。

4.5 監(jiān)測要素

《海洋自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》要求，所有海洋保護(hù)區(qū)都要對下列要事進(jìn)行監(jiān)測。

（1）海域環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)測。主要監(jiān)測項(xiàng)目包括水溫、鹽度、溶解氧、汞、鎘等化學(xué)元素，另外還應(yīng)對生物介質(zhì)中污染物含量進(jìn)行監(jiān)測；

（2）人為活動影響狀況監(jiān)測，包括旅游、交通、海水養(yǎng)殖、海洋捕撈、資源開發(fā)等人為活動對保護(hù)區(qū)生境及保護(hù)對象的影響狀況進(jìn)行監(jiān)測；

（3）保護(hù)對象監(jiān)測，包括各類生態(tài)系統(tǒng)以及保護(hù)種類的種群結(jié)構(gòu)等。

“908專項(xiàng)海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查”的調(diào)查要素包括：岸線、潮間帶、土地利用、植被、濕地、圍填海、港口、排污口等14個類型。結(jié)合《規(guī)程》和衛(wèi)星遙感調(diào)查能力，在確定了研究區(qū)域的地物分類體系的基礎(chǔ)上，基于對自然保護(hù)區(qū)的脅迫因素的分析，確定研究區(qū)域業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測要素，監(jiān)測要素包括：潮間帶、土地利用、植被和濕地。其中，對某些適宜生境類型以及受到人類活動影響較大的地物類型，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。另外，還應(yīng)對要素的現(xiàn)狀、要素的變遷狀況等進(jìn)行遙感監(jiān)測。要素的現(xiàn)狀是依據(jù)監(jiān)測頻次，對要素的面積和分布等進(jìn)行監(jiān)測，并對面積、所占比重做統(tǒng)計分析，繪制相應(yīng)的統(tǒng)計圖、表等。要素的變遷狀況是根據(jù)要素在各個頻次所記錄的現(xiàn)狀進(jìn)行對比分析，得出遙感監(jiān)測動態(tài)變化圖，進(jìn)而為保護(hù)區(qū)的下一步管理和保護(hù)工作的開展提供依據(jù)。

4.6 專題圖制作

要素專題圖的制作是針對信息提取的結(jié)果，基于對遙感監(jiān)測要素的考慮，進(jìn)行制圖輸出，出圖的內(nèi)容包括：

（1）圖框：所有要素專題圖均采用統(tǒng)一的圖框樣式，本文中所生成的專題圖采用單線樣式，30′間隔的經(jīng)緯度外框；

（2）注記規(guī)范：包括要素圖名、基礎(chǔ)地理、行政注記、縣級行政界線等，要素圖名統(tǒng)一按照“＊＊年＊＊保護(hù)區(qū)遙感監(jiān)測專題圖（××）”，其中＊＊處填寫專題圖制作時所依據(jù)遙感影像的年份以及具體的保護(hù)區(qū)名稱，××處填寫專題圖所屬的類型；基礎(chǔ)地理主要包括待輸出的各要素；行政注記包括保護(hù)區(qū)所涉及到的區(qū)、縣（市）；行政界線主要是縣級行政界線；

（3）圖面整飾：包括比例尺、指北針、圖例以及文字說明的統(tǒng)一設(shè)置。

4.7 現(xiàn)場踏勘

現(xiàn)場踏勘所獲取的數(shù)據(jù)主要服務(wù)于遙感影像的預(yù)處理、遙感解譯標(biāo)志庫的建立等?？梢栽谶b感監(jiān)測區(qū)域搭建GPS平臺和現(xiàn)場觀測平臺，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，包括地面控制點(diǎn)和現(xiàn)場照片以及視頻數(shù)據(jù)的采集。利用精準(zhǔn)的地面控制點(diǎn)，對遙感影像進(jìn)行幾何校正；利用現(xiàn)場照片和視頻數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測區(qū)域遙感解譯標(biāo)志庫。

地面控制點(diǎn)位置和數(shù)量的選擇對于遙感影像的預(yù)處理是很重要的。首先要選擇原始影像上影像紋理清晰、特征明顯、易于識別地面突變點(diǎn)的地方，來作為控制點(diǎn)，如線狀地物的交角或地物拐角處、道路的交叉口、河流和溝渠的分叉處、養(yǎng)殖池塘拐角處等，角度范圍最好是30°～150°。其次是控制點(diǎn)數(shù)量的選擇，理論上控制點(diǎn)的數(shù)目越多精度越大，但還要兼顧校正工作量大的問題，因此在實(shí)際操作中要根據(jù)原始影像的幾何畸變程度確定。

不同的遙感數(shù)據(jù)源對控制點(diǎn)精度以及數(shù)量的要求不同，但無論是哪種數(shù)據(jù)源，精度要求控制在影像的1個像元以內(nèi)，針對本文所采用的遙感數(shù)據(jù)分辨率均為30m，因此控制點(diǎn)精度應(yīng)該小于1個像元單位即30m；控制點(diǎn)的數(shù)量是針對幾何校正時所選取的方法而言。中誤差控制在1個像元以內(nèi)，滿足精度要求。地面控制點(diǎn)利用信標(biāo)差分GPS（DGPS）進(jìn)行采集，DGPS接收交通部海事局在沿海設(shè)置的無線電導(dǎo)航信標(biāo)臺所發(fā)射的差分修正信號，使得所采集的控制點(diǎn)的定位精度達(dá)到亞米級。實(shí)地控制點(diǎn)測量記錄時，除記錄測量控制點(diǎn)的位置及周圍地物信息之外，還應(yīng)準(zhǔn)確標(biāo)記控制點(diǎn)所在路口的準(zhǔn)確位置。

解譯標(biāo)志體現(xiàn)了遙感影像地物信息的構(gòu)像結(jié)果與現(xiàn)場觀測的地物類別間的對應(yīng)關(guān)系，是對遙感影像進(jìn)行準(zhǔn)確解譯的基礎(chǔ)和依據(jù)。影像解譯之前，通過實(shí)地踏勘的方式建立影像中地物類型的遙感解譯標(biāo)志是非常重要和必要的。解譯標(biāo)志的建立方式：在踏勘之前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對影像進(jìn)行初步的地物判讀，制作地物判讀圖，獲得未知地物、不能確定地物和重點(diǎn)調(diào)查地物類型的位置和分布，加以標(biāo)記，以備踏勘時了解和確認(rèn)；踏勘中，到達(dá)標(biāo)注地物所在區(qū)域，在確定其與遙感影像中情況無明顯差別后，辨認(rèn)實(shí)地地物類型與分布情況，做記錄并拍照；踏勘之后，以研究區(qū)域中地物分類體系為綱，利用遙感影像截圖和文字描述或加配現(xiàn)場照片的方式建立解譯標(biāo)志。

5 結(jié)語

近日，國家海洋局印發(fā)了海洋生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案，明確提出要開展國家級海洋保護(hù)區(qū)規(guī)范化能力提升工程。而監(jiān)測能力是實(shí)現(xiàn)對保護(hù)區(qū)有效管理的重要途徑之一，通過對保護(hù)區(qū)數(shù)字化監(jiān)測進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)對保護(hù)區(qū)行之有效的監(jiān)視監(jiān)測做了有益的探索。最終將提高保護(hù)區(qū)管理工作的效率，提升管理水平，為海洋資源的有序開發(fā)和海洋開發(fā)的綜合決策提供技術(shù)支撐。

［1］張朝暉，黃根華，曾德相.淺析南海區(qū)國管填海項(xiàng)目海域使用與海洋環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和監(jiān)管［J］.海洋開發(fā)與管理，2015（4）：28～30.

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